Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Всего тела наночастиц Воздействие аэрозолей при вдыхании

15.5K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/50263

⸱

7 мая 2013 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Physiology and Pharmacology, School of Medicine, West Virginia University , 2Center for Cardiovascular and Respiratory Sciences, West Virginia University , 3National Institute for Occupational Safety and Health

В этой статье

Краткое содержание

Всего тела аэрозольной ингаляции наночастиц воздействия объекте предполагалось наноразмерного диоксида титана (TiO 2) Исследования ингаляции токсикологии. Эта система обеспечивает нано-TiO 2 Аэрозоль атмосферы теста, которые: 1) стационарная концентрация массы; 2) однородной композиции, свободной от загрязнений и 3) стабильное распределение частиц по размерам в течение аэрозоля.

Аннотация

Вдыхание является наиболее вероятным путем воздействия для людей, работающих с аэрозольными инженерными наноматериалами (ЭНМ). Для правильного проведения ингаляционных токсикологических исследований наночастиц аэрозоли в камере, в которой содержатся подопытные животные, должны: 1) поддерживаться на постоянном уровне в течение всего периода воздействия; 2) однородный состав, свободный от загрязнений; и 3) стабильное распределение по размерам со средним геометрическим диаметром < 200 нм и геометрическим стандартным отклонением σг < 2,5 5. Создание аэрозолей, содержащих наночастицы, является довольно сложной задачей, поскольку наночастицы легко агломерируются. Во многом это связано с очень сильными межчастичными силами и образованием крупных фрактальных структур размером 6 в десятки или сотни микрон, которые трудно разрушить. Было испытано несколько распространенных аэрозольных генераторов, включая небулайзеры, кипящие слои, аспираторы Вентури и подачу пыли Райта; Тем не менее, ни один из них не смог получить аэрозоли с наночастицами, которые удовлетворяли бы всем критериям 5.

Система ингаляционного воздействия наночастиц на все тело была изготовлена, проверена и использована для ингаляционных токсикологических исследований нано-TiO2. Важнейшие компоненты: 1) новый генератор аэрозолей nano-TiO2; 2) ингаляционная экспозиционная камера объемом 0,5м3; и 3) система мониторинга и управления. Аэрозоли нано-TiO2, полученные из объемных сухих порошков нано-TiO2 (первичный диаметр 21 нм, объемная плотность 3,8 г/см3), подавались в экспозиционную камеру со скоростью потока 90 л/мин (10,8 воздухообменов/ч). Распределение частиц по размерам и профили массовой концентрации измерялись непрерывно с помощью сканирующего подвижного измельчителя частиц (SMPS) и электрического ударного устройства низкого давления (ELPI). Гравиметрическую гравиметрическую концентрацию аэрозоля (С) верифицировали по массе (мг/м3). Масса (M) собранных частиц определялась как M = (Mpost-M pre), где Mpre и Mpost — массы фильтра до и после отбора проб (mg). Массовая концентрация рассчитывалась как C = M/(Q*t), где Q — расход пробоотборника (м3/мин), а t — время отбора проб (минута). Давление в камере, температура, относительная влажность (RH), концентрации O2 и CO2 постоянно контролировались и контролировались. Аэрозоли Nano-TiO2, собранные на фильтрах Nuclepore, были проанализированы с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) и энергодисперсионного рентгеновского анализа (EDX).

В итоге, мы сообщаем, что аэрозоли наночастиц, генерируемые и доставляемые в нашу камеру для экспонирования, имеют: 1) постоянную массовую концентрацию; 2) однородный состав без загрязнений; 3) стабильное распределение частиц по размерам с медианным аэродинамическим диаметром 157 нм при генерации аэрозоля. Эта система надежно и многократно создает испытательную атмосферу, которая имитирует воздействие аэрозолей ЭНМ на рабочем месте, в окружающей среде или в быту.

Протокол

Всего тела наночастиц вдыхания шаг за шагом процедуры эксплуатации, описаны следующим образом.

Примечание: 1) пункты 1 и 3 должны быть выполнены в вытяжной шкаф, 2) операторы должны применять соответствующие средства индивидуальной защиты (респираторы, защитные очки, резиновые перчатки).

1. Кондиционирование наночастиц TiO 2 сухих порошков

  1. Наведите нано-TiO 2 порошки в непрозрачном контейнере.
  2. Оставьте крышку контейнера открыта.
  3. Поместите контейнер в сухом эксикаторе в течение по крайней мере 24 часов для кондиционирования.

2. Разогрев система сбора и управления данными, SMPS и ELPI и всех датчиков

  1. Включите мониторинг воздуха и система сбора данных и переключатели питания SMPS мониторинга аэрозоля (TSI Инк, Миннесота,) и ELPI (Dekati, Тампере, Финляндия) и согрейте систем в течение по крайней мере 1 час.
  2. Включите питаниепереключателей во всех преобразователей, чтобы нагреть их, по крайней мере 1 час.

3. Загрузка наночастиц TiO 2 сухих порошков в аэрозольных генераторов

  1. Откройте крышку цилиндра на аэрозольных генераторов, а также замену фильтров в аэрозольных генераторов. Примечание: Один аэрозольный генератор имеет один цилиндр. Количество аэрозольных генераторов, которые будут использоваться, зависит от желаемого массовой концентрации частиц в экспозиции камеры.
  2. Взвесьте ~ 4 г нано-TiO 2 порошки и загружать их в каждом цилиндре.
  3. Замените цилиндр шапки.
  4. Все области подозревают в TiO 2 загрязнения должны быть влажными уничтожены.

4. Подключение Аэрозольные генераторы вдыхания палаты экспозиции

  1. Соедините все выходы аэрозольных генераторов через трубопровод в циклон сепаратор, который находится на входе камеры вдыхания (TSE Systems GmbH, Бад-Хомбург, Германия).
  2. Подключение шлангов кVenturi диспергаторов в аэрозольных генераторов.

5. Подключение мониторинга атмосферного воздуха и заливов Отбор проб аэрозолей в Палату вдыхание

  1. Подключение реле температуры и относительной влажности (RH), давление, O 2 и CO 2 датчиков поставляемых Системы TSE для проверки портов мониторинга атмосферы на камеру вдыхание.
  2. Соединение входе аэрозоль дилютор к одному из портов аэрозоль выборки на камеру вдыхание, а затем подключить его выход к входу ELPI.
  3. SMPS соединение с одним из портов аэрозоль выборки на камеру вдыхание.
  4. Соединение входе монитора концентрации частиц (TSE Systems) в один из портов аэрозоль выборки от экспозиции камеры.
  5. Взвесьте PTFE мембранный фильтр (P / N 66149, Pall Corporation, Анн-Арбор, штат Мичиган) и загрузить фильтр в фильтр из нержавеющей стали держатель (В-Tox продукции, Мориарти нм).
  6. Подключите входнержавеющая сталь держатель фильтра с предварительно взвешенной фильтровальной к одному из портов аэрозоль выборки на камеру вдыхание и подсоединить его к розетке насос для отбора проб.

6. Активировать системы сбора данных

  1. Активировать ELPI для сбора данных, ELPIVI, проверьте параметры настройки и включите промывочного насоса в течение ~ 5 мин и затем ELPI нулю. Запись до контакта концентрации.
  2. Активируйте SMPS для сбора данных. Запись до контакта концентрации.
  3. Активировать программное обеспечение, Daco (TSE Systems), для мониторинга и контроля расхода воздуха, температуры и относительной влажности барокамера, температуры и относительной влажности, O 2 и CO 2.

7. Загрузка экспериментальных животных в камеру вдыхание

  1. Взвесьте экспериментальных животных.
  2. Отметить подопытных животных и клетки таким образом, что животные могут быть возвращены в том же клетки после воздействия, если урожденнойДед.
  3. Откройте дверь камеры вдыхание и загрузите экспериментальных животных в проводных клетках.
  4. Вода может быть обеспечен для животных.
  5. Закрыть и запереть дверь камеры вдыхание.
  6. Часто наблюдать за животными через экспозиционной камере окна для наблюдения признаки бедствия. Животные должны быть расслаблены и ведет себя нормально. Остановите воздействия, если быстрое / затрудненное дыхание, нарушение внешнего вида, постуральная аномалий или неподвижность наблюдается. Снимите животных, вернуть их в первоначальные клетки, обратитесь к ветеринару и / или инициировать соответствующие Институциональные уходу и использованию животных комитета процедур.

Примечание: Операторы должны использовать средства индивидуальной защиты при выполнении шага 8,7, 8,8 и 8,17.

8. Разоблачение мелких животных наночастицы Аэрозоли

  1. Включите вакуумный насос выхлопных Палаты вдыхание.
  2. Выполнить для сбора данных, Дако, чтобы: а) снабжение фильтруется сухой воздух с воздействием камеру, б) регулирования давления в экспозиционной камере, и в) сбора данных о воздействии окружающей среды, таких как давление, температура, влажность, О 2 и CO 2.
  3. Установите небольшое отрицательное давление (заданное значение = -0,2 мбар) в камере давления.
  4. Включите аэрозольных генераторов.
  5. Выполнить ELPI и SMPS для сбора данных для непрерывного мониторинга размера частиц и относительную концентрацию массы в камере вдыхание.
  6. При концентрации аэрозоля является стабильным, т.е. концентрация профиль на мониторе ELPI достигли плато (обычно: это занимает 20 минут после того, как аэрозольные генераторы находятся в эксплуатации), созданная временем выборки (например, 1 час) и включите аэрозоля выборки насос собрать репрезентативную выборку наночастиц с фильтрами.
  7. Как только время выборки будет достигнута, удалите фильтрами и плагинами, SAmpling порта с резиновыми заглушками для предотвращения тестовых материалов от побега экспозиции камеры.
  8. Взвешивание фильтров и расчета средней концентрации массы в экспозиционной камере, как описано выше.
  9. Если средняя концентрация от целевой концентрации, вручную регулировать воздушный поток в генераторах для обеспечения целевых концентрация достигается.
  10. Рассчитать осаждения частиц в легких животных, как D = С х V м XTX F г, где D = Доза, C = средняя массовая концентрация исследуемого материала, V м = минутный объем, T = продолжительность воздействия, и R = F часть материала , который откладывается или поглощается.
  11. Замените фильтры в фильтродержатели с чистыми, предварительно взвешенный фильтр, и повторите шаги 8.6 и 8.8.
  12. На основании реальной концентрации массы в камере воздействия и целевой осаждение частиц в легких животных, оценки остальных ехрosure время, т остаются = (D-целевого D) / (С х V х м п л), где Т = остаются остаются продолжительность воздействия, D = целевых целевых доз, C = средняя массовая концентрация исследуемого материала, V м = Минутный объем, F г = часть материала, который осаждается или поглощается.
  13. Выключите аэрозольного генератора при Т остаются достигнута.
  14. Перед снятием животных от экспозиции камеры, промойте камеру с вдыханием отфильтрованный воздух, пока концентрация частиц указанных в монитор не близка к доконтактная концентрация частиц в камере.
  15. Выключите вакуумную камеру выхлопных насоса.
  16. Стоп для сбора данных, Daco.
  17. После экспозиции, наблюдать за животными, чтобы проверить нормальное дыхание и поведение, а также документ, что никакое другое исследование осложнений бывшихист. Если выделения из носа, расстройство дыхания или любых других осложнений защиты животных наблюдаются, обратитесь к ветеринару и / или инициировать соответствующие Институциональные уходу и использованию животных комитета процедур.
  18. Остановить ELPI и SMPS для сбора данных.

9. Создание Протокол испытаний

9.1 Условия испытания включают

  1. Описание системы генерации аэрозоля и его рабочие параметры, используемые в этом тесте.
  2. Описание экспозиции устройства, включающего дизайн, типа, размера и его рабочие параметры, используемые во время экспозиции.
  3. Оборудование для измерения температуры, влажности, размера частиц и фактическая концентрация.
  4. Отношении вытяжки и метод жилищного животных в испытательной камере при использовании.

9.2 данные о воздействии атмосферы включают

  1. Расхода воздуха при вдыхании оборудования.
  2. Температура и влажностьвоздухе.
  3. Фактическая (аналитический или гравиметрическим) концентрация в зоне отбора проб аэрозолей который находится вблизи клетки для животных.
  4. Распределение частиц по размерам, и рассчитывается количество средневзвешенный аэродинамический диаметр и геометрическое стандартное отклонение.
  5. Объяснение относительно того, почему желаемые камере концентрации и / или размер частиц не может быть достигнута (если применимо), а также усилия, предпринимаемые в соответствии с этими аспектами руководящих принципов.

9.3 Другие

  1. Слегка отрицательное давление в комнату с объекта ингаляции следует поддерживать, чтобы предотвратить тестовых материалов от побега лаборатории вдыхания.
  2. Очистите экспозиционной камере ежедневно, чтобы устранить влияние отходов животноводства.
  3. ELPI, SMPS и другие инструменты должны быть очищены и откалиброваны на основе руководств пользователя.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Исследование вдыхания обычно включает в себя поддержание экспериментальных животных в известных и постоянный тестовой среде, выставляя экспериментального животного к определенной концентрацией испытуемого материала 8,9. Всего тела ингаляционного воздействия наночастиц системы показан на рисунке 1. Всего тела камеры была сделана операция на динамической основе потока, где было 90 LPM непрерывный поток воздуха через камеру. Этот воздушный поток при условии 10,8 воздухообмена / ч, что превышает ...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Мы собрали и описали здесь, в всего тела аэрозолей наночастиц системы вдыхание. Функциональность системы была подтверждена с государством в самых современных методов аэрозолей наночастиц характеристики. С аэрозоль нового поколения системы наночастиц, эта система вдыхания может обеспечить хорошо охарактеризованы, контролируемое и равномерное наночастиц аэрозоль испытательной среды с относительно постоянной температуры, влажности воздуха, и содержание кислорода в экспериментальных животных. Экспозиционная система является...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Результаты и выводы в этом отчете, являются мнениями авторов и не обязательно отражают точку зрения Национального института профессиональной безопасности и здоровья. Упоминание любых компаний или какой-либо продукции не означает одобрение NIOSH, а также не означает, что альтернативные продукты недоступны, или не могут быть заменены после соответствующей оценки.

Благодарности

Список подтверждений и источников финансирования.

NIH-ES015022 и ES018274 (TRN)

NSF-соглашение о сотрудничестве 1003907 (VCM)

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Ингаляционная система воздействияTSE Systems GmbH, Бад Хомбург, Германия
Система мониторинга воздухаTSE Systems GmbH, Бад Хомбург, Германия
Диоксид титана Аэроксид P25Evonik, Германия
Сканирование подвижности частиц sizer-3936L75TSI Inc., Шорвью, Миннесота
Электрический ударный элемент низкого давления, стандартный 10 л/минДекати, Тампере, Финляндия
Ультра микровесы, XP2UМЕТТЛЕР ТОЛЕДО, Швейцария
Полевой эмиссионный сканирующий электронный микроскоп-S-4800Хитачи, Япония
Энергетический дисперсионный рентгеновский анализ Принстон Гамма-Тех, Роки Хилл, Нью-Джерси
Нуклепоровые поликарбонатные фильтры Whatman, Clinton, PA
PTFE мембранные фильтры Pall corporation, Энн-Арбор, Мичиган

Ссылки

  1. Bide, R. W., Armour, S. J., Yee, E. Allometric respiration/body mass data for animals to be used for estimates of inhalation toxicity to young adult humans. J. Appl. Toxicol. 20 (4), 273-290 (2000).
  2. Guyton, A. C. Analysis of respiratory patterns in laboratory animals. Am. J. Physiol. 150, 70-77 (1947).
  3. Knuckles, T. L., Yi, J., Frazer, D. G., Leonard, H. D., Chen, B. T., Castranova, V., Nurkiewicz, T. R. Nanoparticle inhalation alters systemic arteriolar vasoreactivity through sympathetic and cyclooxygenase-mediated pathways. Nanotoxicology. , 1-12 (2011).
  4. Pauluhn, J., Mohr, U. Repeated 4-week inhalation exposure of rats: effect of low-, intermediate, and high-humidity chamber atmosphere. Exp. Toxic Pathol. , 178-187 (1999).
  5. Schmoll, L. H., Elzey, S., Grassian, V. H., O'Shaughnessy, P. T. Nanoparticle aerosol generation methods from bulk powders for inhalation exposure studies. Nanotoxicology. 3, 265-275 (2009).
  6. To, D., Yin, X., Sundaresan, S., Dave, R. N. Deagglomeration of nano-particle aggregates via rapid expansion of high pressure suspensions. AIChE J. 55 (11), 2756-3032 (2009).
  7. U.S. Environmental Protection Agency (US EPA). Health effects test guidelines: OPPTS., 870.1300. Acute inhalation toxicity. EPA. , 712-C-98-193(1998).
  8. Wong, B. A. Automated feedback control of an inhalation exposure system with discrete sampling intervals: testing, performance, and modeling. Inhal. Toxicol. 15, 729-743 (2003).
  9. Wong, B. A. Inhalation Exposure Systems: Design, Methods and Operation. Toxicologic Pathology. 35, 3-14 (2007).
  10. Nanoparticle Aerosol Generator. US patent. , 13/317, 472 (2011).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Nano TiO2
Всего тела наночастиц Воздействие аэрозолей при вдыхании
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.